Revista MASKAY
Departamento de El´ectrica y Electr´onica
ESCUELA POLIT´
ECNICA DEL EJ´
ERCITO
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EDITOR GENERAL
Dr. Enrique V. Carrera
EDITOR ASOCIADO
Dr. Gonzalo Olmedo
CONSEJO EDITORIAL
Dr. Enrique V. Carrera
Ing. Rom´an Lara
Dr. Gonzalo Olmedo
Ing. V´ıctor Proa˜
no
Ing. Carlos Romero
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ON DE CONTACTO
Revista MASKAY
Departamento de El´ectrica y Electr´onica
Escuela Polit´ecnica del Ej´ercito
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Ecuador
El contenido de los art´ıculos aqu´ı publicados es
responsabili-dad exclusiva de sus respectivos autores. Mayor informaci´on en
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Presentaci´
on
La Revista Maskay del Departamento de El´ectrica y Electr´onica (DEEE) de la
ESPE es resultado natural de los trabajos de investigaci´on desarrollados por los
docentes del departamento y por estudiantes de pregrado y posgrado de Ingenier´ıa
Electr´onica. Tiene como objetivo fomentar la difusi´on del conocimiento a trav´es
de art´ıculos t´ecnicos y cient´ıficos en las ´
Areas de Conocimiento del DEEE. En su
primera edici´on presenta resultados obtenidos en proyectos de iniciaci´on cient´ıfica
que se han venido realizando desde el a˜
no 2008. En sus futuras ediciones Maskay abre
las puertas para la publicaciones de investigaciones, producto de trabajos realizados
en ´areas afines por parte de otras instituciones, tanto p´
ublicas como privadas.
Dr. Gonzalo Olmedo
Editor Invitado
Contenido
Prototipo de una tarjeta para el control y localizaci´
on vehicular utilizando
mensajes SMS
Diana Moya, Edgar Ben´ıtez, Gonzalo Olmedo y Julio Larco . . . 1
An´
alisis del desempe˜
no de una red Ad-Hoc inal´
ambrica m´
ovil MANET,
em-pleando el software NS 2.32 bajo el est´
andar IEEE 802.15
Johanna Gavidia, Rom´an Lara y Gonzalo Olmedo . . . 10
Dise˜
no y simulaci´
on de una red WiMAX para el campus de la Escuela
Po-lit´
ecnica del Ej´
ercito
Tatiana Apolo, Edwin Amagua˜
na, Rom´an Lara y Gonzalo Olmedo . . . 14
Estudio del comportamiento de una red Ad-Hoc MANET metropolitana
ba-sado en los protocolos de enrutamiento
Mario Garz´on, Rom´an Lara y Gonzalo Olmedo . . . 21
Dise˜
no de un prototipo del sistema inal´
ambrico para el registro de tiempos de
recorrido en la transportaci´
on p´
ublica
Ver´onica Guerra y Daniel Altamirano, Pa´
ul Ayala y Gonzalo Olmedo . . . 25
Dise˜
no e implementaci´
on de un prototipo de identificaci´
on de objetos de uso
com´
un, dirigido a personas con discapacidad visual
Franklin Pacheco, Jaime Andrango y Julio Larco . . . 33
Dise˜
no e implementaci´
on de un prototipo de silla de ruedas el´
ectrica para la
ense˜
nanza en el manejo, conducci´
on y orientaci´
on a personas con limitaciones
f´ısicas y adultos mayores
Christian Montenegro, Edwin Villagr´an, Pa´
ul Ayala y Jaime Andrango . . . 39
Dise˜
no e implementaci´
on de antenas de microl´ınea
David Donoso, Gonzalo Olmedo y David Andrade . . . 45
Dise˜
no e implementaci´
on de un bloqueador de tel´
efonos celulares para GSM
que operan en la banda B
Luis. E. Mena y C´esar Naranjo . . . 49
Dise˜
no e implementaci´
on de un sistema de monitoreo a bordo con conexi´
on
por radiofrecuencia para un veh´ıculo Chevrolet Forsa 1.3 lt
Julieta T. V´asconez y Galo ´
Avila . . . 52
Dise˜
no e implementaci´
on de un m´
odulo did´
actico de un Drive Troceador para
el control de una m´
aquina de DC en cuatro cuadrantes destinado al
Labora-torio de Control El´
ectrico y PLC’s
Resumen— En este artículo se describe la implementación de un prototipo para el control y localización vehicular denominado SCL (Sistema de Control y Localización) que hace uso del servicio de mensajes cortos (SMS) de la red GSM(Global Systemfor Mobile Communication) para su administración, desde una interfaz gráfica de usuario desarrollada en J2ME (Java2 Micro Edition). Este sistema está constituido de dos partes principales: una Tarjeta de Control y Localización (TCL) y la interfaz en J2ME. Se detalla el diseño del hardware de la TCL, describiendo sus componentes, la interconexión entre los mismos y sus consideraciones técnicas; así como, las características generales de la aplicación en J2ME.
Palabras clave— GSM, SMS, PDU, GPS, J2ME, CLDC, MIDP, WMA,PushRegistry.
I. INTRODUCCIÓN
L sistema GSM constituye uno de los principales avances en el campo de las redes móviles digitales, siendo en laactualidad la tecnología más ampliamente utilizada del mundo con más de 3 mil millones de abonados, representando el 81.2% de participación en el mercado en cuanto a las suscripciones inalámbricas digitales globales [1]. GSM es una norma abierta, que permite que cualquier fabricante produzca equipos compatibles, lo cual trae aparejados algunos beneficios, entre ellos, las oportunidades que brinda para los desarrolladores de aplicaciones.
Dentro de los servicios básicos de la red GSM, el servicio SMS es uno de los más difundidos y principalmente, uno de los menos costosos para el usuario. Estas cualidades hacen que el servicio de mensajes cortos SMS se convierta en una gran alternativa para ser usada como base en el desarrollo del presente trabajo, en comparación con otras tecnologías, como por ejemplo GPRS (General Packet Radio
Service), que tiene mayor costo por datos transmitidos y
no presenta cobertura en todo el país.
Por otro lado, el avance tecnológico cada vez más acelerado de los teléfonos celulares, los cuales siguen incorporando más funcionalidades, hace que
Diana Moya, Edgar Benítez, Román Lara y Gonzalo Olmedo, Carrera de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones, Departamento de Electrónica y Electrónica, Escuela Politécnica del Ejército, ESPE, Sangolquí, Ecuador, E-mails: [email protected], [email protected].
paralelamente se descontinúe la producción de algunos modelos, lo que implica que aumente la cantidad de aparatos que entran en desuso. Justamente, como una alternativa más económica para la implementación de este prototipo se utilizó un módem GSM de un teléfono celular descontinuado, logrando a su vez reciclar estos equipos celulares.
Este artículo está organizado de la siguiente manera. En la sección II, se describen las características y el funcionamientogeneral del sistema SCL. En la sección III, se describe el cerebrode los procesos que se llevan a cabo en la TCL, implementadoen un microcontrolador PIC. Las consideraciones técnicas de lasentradas ysalidas de la TCL son presentadas en la sección IV. Enla sección V se describe el sistema de alimentación de la TCL.En las secciones VI y VII, se describen las comunicaciones entre elmicrocontrolador PIC con el módem GSM y con el módulo receptor GPS (Global
PositioningSystem), respectivamente. En la sección VIII,
se explican las características principales de la aplicación en J2ME. En la sección IX se muestra el resultado de la implementación del sistema SCL. Finalmente, las conclusiones se presentan en la sección X.
II. FUNCIONAMIENTO GENERAL DEL SISTEMA
En esta sección se describe el funcionamiento general del sistema SCL, el cual consta de dos partes principales: la TCL, y la interfaz de usuario realizada en J2ME, las cuales se muestran en la Figura 1.
La TCL está gobernada por un microcontrolador PIC16F877A que se encarga del control de las salidas, monitoreo de las entradas, adquisición de la señal analógica proveniente de un sensor, y la comunicación con un módem GSM y con un módulo receptor GPS. El microcontrolador es el encargado de interpretar los mensajes SMS de entrada, y codificar en modo PDU (Protocol Data Unit) los mensajes SMS de reporte destinados hacia el teléfono celular del usuario, de acuerdo a sus requerimientos.
La TCL consta de 5 salidas y 5 entradas. Las 5 salidas se dividen en 3 digitales y 2 de potencia, y las 5 entradas se dividen en 4 digitales y una analógica, la cual ha sido considerada para sensar temperatura.
El bloque de acceso a la red GSM está conformado por un módem GSM de un celular en desuso. En este caso se ha utilizado un teléfono de la marca Sony Ericsson, modelo T290a. Este módem se comunica vía
Diana Moya, Edgar Benítez, Gonzalo Olmedo y Julio Larco
Prototipo de una tarjeta para el control y
localización vehicular utilizando mensajes SMS
E
MASKAY 1(1), Nov 2011
serial con el microcontrolador mediante comandos AT específicos para el servicio de mensajes cortos.
Fig. 1. Diagrama de bloques del sistema SCL.
El bloque que permite obtener la posición geográfica de la tarjeta se compone del módulo receptor GPS GS405, del fabricante SPK Electronics Co., Ltd [2]. Este módulo envía la información de posicionamiento almicrocontrolador a través decomunicación serialutilizando el protocolo NMEA.
La interfaz de usuario se trata de una aplicación en J2ME,constituida por menús y formularios que permiten al usuario lainteracción con el sistema de una manera fácil y amigable. Estaaplicación debe instalarse en un teléfono celular que soporte laplataforma Java (configuración CLDC 1.0 y perfil MIDP 2.0).Esta aplicación se encarga de enviar las peticiones del usuario yatender los reportes y notificaciones provenientes de la tarjeta, através de mensajes SMS.
III. MICROCONTROLADOR PIC16F877A
El microcontrolador PIC16F877A pertenece a la familia Microchipde microcontroladores de gama media, con bus de datosde 8 bits y 40 pines. Lascaracterísticas generales de este microcontroladorse muestran en la Tabla I. Información más detalladacon respecto a las especificaciones y funcionamiento delPIC16F877A, se puede encontrar en la web del fabricante [3].
En la Tabla II se detalla como se han distribuido los pines del PIC para implementar las diferentes funciones de control, monitoreo y comunicación con cada uno de los componentes del hardware.
Para el desarrollo del programa del microcontrolador PIC se utilizó el compilador de C PCW de la casa CCS Inc. Este compilador dispone de un entorno de desarrollo integrado (IDE) que permite implementar cada una de las fases de las que se compone el desarrollo de software de un proyecto, desde la edición hasta la compilaciónpasando por la depuración de errores.
Este compilador traduce el código C del archivo fuente (.c) a lenguaje de máquina entendido por los microcontroladores PIC, generando así un archivo (.HEX) en formato hexadecimal.
TABLAI
CARACTERÍSTICAS DEL PIC16F877A.
TABLA II
DESCRIPCIÓN DE LA ASIGNACIÓN DELA PINES DELMICROCONTROLADOR
PIC.
IV. ENTRADAS Y SALIDAS DE LA TCL
Las entradas y salidas de la TCL están organizadas de la siguientemanera:
A. Entradas digitales
La TCL presenta 4 entradas digitales que se conectan a los pines RB4 al RB7 del puerto B del microcontrolador PIC como se observa en la Figura 2, con el fin de aprovechar la interrupción relacionada a un cambio en cualquiera de los bits del nibblemás alto del puerto B. De esta manera, cuando existe un cambio en el estado de los sensores conectados a las entradas digitales, se produce una interrupción en el programa, lo cual permite el tratamiento de esta información y la notificación respectiva al usuario.
Una consideración importante respecto al estado de las entradas, es que mientras éstas no se encuentren conectadas a ningún sensor, y por lo tanto, no reciban señal alguna, el estado por defecto es un 1 lógico, debido
a que se han activado las resistencias de pull-up del puerto B, configurables a través de software.
Fig. 2. Distribución de los pines del microcontrolador PIC16F877A para las entradas y salidas de la TCL.
B. Salidas digitales
Las salidas digitales de la TCL corresponden a los pines RD5 a RD7 del PIC como se observa en la Figura 2, tienen una corriente máxima de salida de 25 mA, de acuerdo a las especificaciones eléctricas del PIC16F877A. Además, se han incluido leds indicadores de estado conectados a los pines RA1 a RA3, por cada una de las salidas, con el objetivo de permitir al usuario visualizar el estado de las mismas.
C. Salidas de potencia
La TCL cuenta con dos salidas de potencia que permiten laconexión de dispositivos que trabajan con corriente alterna.
Para la implementación de estas salidas se utilizó relés de6A/250VAC o 6A/28VDC, máx. 10A a 125VAC, los cuales seactivan con una tensión de 12 V.
Para acoplar estos relés al microcontrolador seimplementarondos circuitos, uno para cada salida de potencia, que utilizantransistores de propósito general NPN 2N3904. En laFigura 3 se muestra el circuito para una de estas salidas (salida5). Además, se colocaron leds indicadores para visualizar suestado.
D. Entrada analógica
La entrada analógica ha sido implementada utilizando el primer canal del módulo de conversión A/D incorporado en el microcontrolador PIC16F877A, correspondiente al pin RA0, como se muestra en la Figura 2. El módulo de conversión A/D se configuró con una resolución de 10 bits, es decir que la señal analógica se convertirá en un número binario de 10 bits (0 a 1023 decimal).
En la TCL se ha considerado que la entrada analógica tenga como objetivo el sensamiento de temperatura, para lo cual, se ha conectado directamente al pin RA0 del PIC, la salida del sensor de temperatura LM35DZ
mostrado en la Figura 4, que tiene las siguientes características:
• Calibrado directamente en grados centígrados. • Factor de escala lineal de +10,0 mV/◦C. • Precisión de 0,5◦C (a +25◦C).
• Evaluado en el rango de -55◦C a +150◦C. • Operación desde 4 a 30 V.
• Baja impedancia de salida, 0,1 - para una carga de 1 mA.
•
Fig. 3. Circuito implementado para la etapa de potencia de la salida 5.
(a) Encapsulado de plástico TO-92.
(b) Vista desde abajo. Fig. 4. Sensor de temperatura LM35DZ.
V. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN
La TCL trabaja con tres tensiones para la alimentación de las distintas partes que la conforman, las mismas son: 12 V, 5 V y 3,3 V DC. El circuito de este sistema se muestra en la Figura 5.
La tensión de 12 V, para el caso de aplicaciones en vehículos, puede ser tomada de la batería de los mismos, y para otras aplicaciones, es necesaria la conexión a una fuente de alimentación que suministre este voltaje. Los 12 V permitirán la activación de los relés de las salidas de potencia como se muestra en la Figura 3, una vez que los transistores entren en el estado de corte. Además, esta tensión ingresa a un circuito regulador de 5 V DC, basado en el integrado LM317, que servirá para alimentar tanto al microcontrolador como al resto de elementos de la TCL, incluyendo la batería del teléfono celular con excepción del módulo receptor GPS.
Por otra parte, debido a que el módulo receptor GPS requierepara su alimentación una tensión de 3,3 V, se ha implementadoun circuito regulador adicional, basado en el integradoLM1117T, el mismo que se encarga de convertir los 5 V querecibe a su entrada a 3,3 V.
Fig. 5. Sistema de alimentación de la TCL.
VI. COMUNICACIÓN CON EL MÓDEM GSM
Un módem GSM es similar a un módemdial-up, con la diferenciaque es inalámbrico y trabaja con la red GSM. En este prototipo, el módem GSM es utilizado para permitir el envío de mensajes SMS desde la TCL a la interfaz de usuario en J2ME, así como recibir mensajes provenientes desde ésta hacia la TCL. Para este propósito, se utilizó el módem embebido de un teléfono celular de la marca Sony Ericsson, modelo T290a, el mismo que se presenta en la Figura 6, logrando a su vez, cumplir con el objetivo de reutilizar equipos terminales que se encuentren en desuso.
Fig. 6.Equipomóvil Sony Ericsson T290a.
La Figura 7 muestra la conexión entre el módem GSM y el microcontrolador. Es importante mencionar que los pines de transmisión y recepción del microcontrolador trabajan con niveles TTL de 0-0,8 V para el estado lógico 0, y 2-5 V para el estado lógico 1; mientras que el módem GSM del teléfono celular trabaja con niveles TTL de 0 V (estado lógico 0) y 3,3 V (estado lógico 1). Por esta razón, en la conexión entre el Tx del PIC y el Rx del módem, fue necesario añadir un circuito regulador con un diodo zéner de 3,3 V para obtener el voltaje deseado en este pin Rx y así, evitar inconvenientes de incompatibilidad de niveles de voltaje. En el otro sentido de la comunicación serial (Rx del PIC y Tx del módem) no se presenta este inconveniente de incompatibilidad.
Fig. 7. Conexión entre el módem GSM del celular y el microcontrolador PIC.
A. Comandos AT+
Para la comunicación entre el microcontrolador PIC y el módem GSM, se hizo uso de una extensión de los comandos AT convencionales, conocidos como comandos AT+, los mismos que permiten gestionar la base de datos de los teléfonos celulares, la lista de los mensajes SMS recibidos, enviar mensajes SMS, entre otras opciones de configuración. A continuación se menciona los comandos AT+, específicos para el trabajo con mensajes SMS, que fueron empleados para la comunicación del microcontrolador con el módem GSM en este prototipo:
1. AT+CPMS (Preferred Message Storage).
Selecciona lamemoria de almacenamiento a ser usada para lectura y escriturade los SMS. 2. AT+CMGF (MessageFormat). Selecciona el
formato deentrada y salida para los mensajes SMS a ser utilizado por elteléfono, el mismo puede ser modo PDU o modo texto.
3. AT+CMGR (ReadMessage). Lee el mensaje
ubicado en unaposición específica de la memoria seleccionada con el comandoAT+CPMS. 4. AT+CMGL (ListMessage). Devuelve una lista
de mensajesdependiendo de su estado, de acuerdo a las siguientes cadenas:
• ”REC UNREAD”: mensajes recibidos pero
no leídos.
• ”REC READ”: mensajes recibidos y leídos.
• ”STO UNSEND”: mensajes escritos y
almacenados pero noenviados. • ”STO SENT”: mensajes enviados.
• ”ALL”: todos los mensajes.
5. AT+CMGS (SendMessage). Permite enviar un
mensajeSMS desde un equipo terminal a otro ya sea en modo texto oen modo PDU.
6. AT+CMGD (DeleteMessage). Elimina el
mensaje ubicadoen una posición específica de la memoria seleccionada con elcomando AT+CPMS.
Información más detallada de los comandos AT y AT+ sepuede encontrar en [4] y [5].
B. Formatos del SMS
Hay dos maneras de enviar y recibir mensajes SMS definidosa continuación:
• Modo texto. Los mensajes pueden estar
conformados por caracteresde texto, números y símbolos especiales.
• Modo PDU. La estructura dentro de la cual viaja un
SMS sele denomina PDU la cual además de llevar la información propiadel mensaje de texto, lleva otra serie de caracteres con los quese pueden hacer algunas funciones de control en la presentación del mensaje. Una de las principales ventajas que este modo presenta,es que el mensaje antes de ser enviado a la red debe pasarpor un algoritmo, el cual hace una codificación a nivel de bitscon lo que si el mensaje se intenta leer no podrá ser interpretadoa primera vista.
Los mensajes enviados desde la interfaz de usuario en J2MEhacia la TCL, son mensajes que contienen los requerimientosdel usuario de configuración, control, reporte, localización otemperatura. Estos mensajes son leídos por el PIC en modotexto para poder extraer la información necesaria y ejecutar lasoperaciones respectivas. Por otro lado, los mensajes de notificación, confirmación o reporte, enviados desde el módem GSMde la TCL a la interfaz de usuario en J2ME, se encuentran enmodo PDU, debido a que de esta manera es posible enrutar losmensajes SMS hacia un puerto específico del teléfono celulardel usuario, en el cual se encuentra instalada la aplicación de administración en J2ME que está escuchando a los mensajes quearriben a este puerto y provoquen su activación.
La trama PDU utilizada para el envío de mensajes SMS, denominadaSMS-SUBMIT, se muestra en la Figura 8.Para cumplir con el propósito de enviar un SMS hacia unpuerto específico, se tiene que indicar que existe una cabeceraen el campo de datos de usuario (UD, User
Data) adicional almensaje propiamente dicho, y esto se
logra poniendo a 1 el bit UDHI (User Data
HeaderIndicator), del campo PDU-TYPE, mostrado en
la Figura 8.
C. Campo de datos de usuario UD
El campo UD contiene la parte de texto del mensaje SMS. Opcionalmente, el campo UD también puede contener una cabecera de datos de usuario (UDH, User
Data Header) de 8 bits. El campo UDH estáconformado
de la longitud de cabecera de datos de usuario (UDHL,
User Data HeaderLength) seguida de una secuencia de
elementos de información. Los elementos de información tienen los siguientes propósitos:
• Control de SMS. En esta categoría, los
elementos de información contienen algunas instrucciones de control de SMS talescomo información de concatenación, direccionamiento
a puertosde aplicación, parámetros de control del SMSC, entre otras.
• Objetos EMS básicos y extendidos. En esta
categoríalos elementos de información contienen
la definición de objetosEMS
(EnhancedMessagingService) tales como melodías,imágenes, animaciones, etc.
La estructura del campo UD se muestra en la Figura 9. Elprimer octeto del campo UDH, denominado UDHL, indica lalongitud del UDH. Si el texto es codificado con 7 bits, entoncespueden ser necesarios bits de relleno entre el UDH y la parterestante del campo UD. Estos bits de relleno garantizan que eltexto, el cual sigue al UDH, siempre empezará en el límite de unsepteto. Esto es importante para permitir a los equipos celularesmás antiguos, que no soporten el concepto de UDH, interpretarla parte de texto del mensaje.
Fig. 8. Trama SMS-SUBMIT.
Fig. 9. Estructura del campo UD.
D. Direccionamiento de puertos de aplicación
El direccionamiento de puertos de aplicación es una característica que permite el enrutamiento de un mensaje recibido al puerto de una aplicación identificada, la cual se encuentra corriendo en el equipo celular. El direccionamiento a puertos de aplicación puede realizarse usando dos elementos de información distintos. El primer elemento de información es usado para puertos de dirección de 8 bits mientras que el segundo elemento de información es usado para puertos de dirección de 16 bits.
Para aplicaciones con puertos de dirección de 8 bits, se usa el elemento de información mostrado en la Tabla III.
TABLAIII
ESQUEMA DE DIRECCIONAMIENTO DE PUERTOS DE APLICACIÓN,
DIRECCIÓN DE 8 BITS.
TABLA IV
ESQUEMA DE DIRECCIONAMIENTO DE PUERTOS DE APLICACIÓN,
DIRECCIÓN DE 16 BITS
Más información respecto a las tecnologías y servicios de la mensajería móvil celular se puede encontrar en [6] e información específica referente al SMS y el formato PDU se puede encontrar en [7].
VII. COMUNICACIÓN CON EL MÓDULO RECEPTOR GPS
En la Figura 10 se muestra la conexión para la comunicación serial entre el microcontrolador PIC y el módulo receptor SPKGPS- GS405 cuyas principales especificaciones técnicas se presentan en la Tabla V. Se ha utilizado únicamente el pin transmisor del GPS y un pin configurado para la recepción en el microcontrolador PIC (pin 35), pues en este caso la comunicación es unidireccional ya que el microcontrolador PIC no enviará información al GPS.
La comunicación serial entre el módulo receptor GPS y el microcontrolador PIC se configuró con los siguientes parámetros, de acuerdo al protocolo de comunicación NMEA-0183, estándar definido por la
National MarineElectronicsAssociation(NMEA) para la
comunicación entre instrumentos marinos y también receptores GPS:
• Bits por segundo: 4800 • Bits de datos: 8 • Paridad: ninguna • Bits de parada: 1
• Control de flujo: ninguno
El microcontrolador es el encargado de analizar los mensajes NMEA-0183 provenientes del módulo receptor GPS. Específicamente se analizó el mensaje RMC (RecommendedMinimumSpecific GNSS Data) que contiene información del tiempo, fecha, posición, velocidad y rumbo, a partir de lo cual se obtienen los datos de longitud y latitud, para determinar la posición de la TCL.
La SiRFStar III es una tecnología que mejora considerablemente el desempeño de los receptores GPS. Sus principales ventajas son: tiempos más rápidos para determinar una posición, alta sensibilidad para adquirir
las señales de los satélites en entornos difíciles, bajo consumo de potencia para prolongar la vida de la batería. b10 m 2D RMS indica que el 98% de las lecturas del GPS se encuentran en un círculo de 10m de radio.
Fig. 10. Conexión entre el módulo receptor GPS y el microcontrolador PIC.
TABLAV
ESPECIFICACIONES DEL MÓDULO RECEPTOR SPK-GPS-GS405.
VIII. INTERFAZ DE USUARIO EN J2ME
La aplicación desarrollada en el lenguaje de programación J2ME, constituye una interfaz que brinda al usuario la capacidad de configurar y administrar la TCL de una forma fácil y amigable, así como también recibir notificaciones, confirmaciones y reportes provenientes de ésta. La aplicación fue desarrollada bajo la configuración CLDC 1.0 y el perfil MIDP 2.0, explicados a continuación:
• CLDC (Connected Limited Device Configuration).
Es una configuración o conjunto de APIs (ApplicationProgramming Interface), enfocada a una familia de dispositivos dotados de conexión y con restricciones de procesamiento y memoria, como los teléfonos celulares o PDAs.
• MIDP (Mobile Information Device Profile). Este
perfil está construido sobre la configuración CLDC y establece las capacidades de un grupo más específico de dispositivos dentro de la familia definida por la configuración CLDC. MIDP está orientado a dispositivos como los teléfonos celulares
y PDAs de gama baja. Incluye APIs relacionadas con la semántica y control de la aplicación MIDP, interfaz de usuario, almacenamiento persistente, trabajo en red y temporizadores.
Las aplicaciones Java que se realizan utilizando el perfil MIDP sobre la configuración CLDC reciben el nombre de MIDlets. El binario de un MIDlettiene la extensión .jary para el caso de esta aplicación su nombre es Scl.jar (Sistema de Control y Localización).
Fig. 11. Jerarquía de clases derivadas de Displaye Item.
Para el desarrollo de la aplicación se recurrió a las bondades de las interfaces de usuario de bajo y alto nivel definidas en J2ME, cuya jerarquía se puede ver en la Figura 11. Por lo tanto, la interfaz de usuario del sistema SCL es un conjunto de objetos de las clases
Displayablee Item, entre ellos: formularios, listas y
gráficos, que permiten realizar las siguientes operaciones:
1. Autenticación de usuario. La autenticación de usuario permite dar seguridad a la aplicación por medio de una clave que deberá ser ingresada en un formulario como el mostrado en la Figura 12, una vez que el usuario inicie la aplicación y sin la cual no podrá continuar con la visualización del menú principal presentado en la Figura 13. El valor por defecto es ”123”, y existen tres posibilidades de errar en la clave antes que se muestre una alerta de ”Acceso Denegado” y se cierre la aplicación.
2. Configuración. Esta opción del menú principal despliega otro menú con las opciones de configuración del sistema SCL, las mismas que pueden apreciarse en la Figura 14 y se explican a continuación :
•Configuración del Número del Sistema. Permite que el usuario ingrese el número de teléfono correspondiente al módem conectado a la TCL. Además, tiene un campo para ingresar una clave de emergencia que permitirá realizar acciones de control limitadas desde un teléfono celular distinto al que contiene la aplicación J2ME. Una vez terminado el ingreso de estos dos parámetros, la aplicación procederá a enviar a la TCL el mensaje SMS respectivo con la información de configuración.
•Configuración de etiquetas de entradas y salidas. Permite que el usuario etiquete las entradas y salidas de la TCL, que son las que se desea controlar, con nombres familiares que le permitan tomar decisiones de control de una manera fácil.
•Configuración de la clave de autenticación. Permite cambiar la clave con la que se ingresa a la aplicación, cuyo valor por defecto es ”123”.
3. Control del Sistema. Permite al usuario realizar el control de las salidas de la TCL, mediante listas que le permiten seleccionar si activar o desactivar dichas salidas. Una vez que se ha terminado de seleccionar el estado de las salidas se enviará un mensaje SMS hacia la TCL con la información de control.
4. Reporte. Permite enviar un SMS a la TCL para solicitar información acerca del estado de las entradas y salidas de la misma.
5. Localización. Permite enviar un SMS a la TCL solicitando.
6. Temperatura. Esta opción permite enviar a la TCL un mensaje SMS solicitando la temperatura del ambiente en la que ésta se encuentra. Una vez que arribe el mensaje SMS con el valor de temperatura, se desplegará un formulario que muestra este valor en grados centígrados.
7. Notificaciones. Las notificaciones corresponden a los mensajes SMS que envía la TCL hacia la aplicación
Scl.jar y que permiten que ésta se active
automáticamente. Éstas contienen información de un cambio en alguna de las entradas o las respuestas a cada una de las solicitudes realizadas con las opciones del menú principal de la aplicación.
A. Wireless Messaging API (WMA)
La APIWMA es una extensión de las especificaciones CLDC y MIDP para el envío, la recepción y la gestión de SMS desde MIDLets.
Esta API está compuesta exclusivamente de interfaces ubicadas bajo el paquete javax.wireless.messagingy es parte fundamental para el desarrollo de la interfaz de usuario del SCL, puesto que gracias a ella se logró controlar y configurar la TCL a través de mensajes SMS y además fue posible recibir la información proveniente desde ésta, para su procesamiento y poder mostrarla al usuario de una manera amigable.
B. La API PushRegistry
La API PushRegistrypermite la ejecución de
MIDletssin intervención del usuario. Un MIDletpuede
ser iniciado de dos formas:
•A través de una alarma o temporizador, y
•A través de una conexión entrante que puede ser una conexión TCP, un datagrama UDP o un SMS.
Esta API tiene como corazón la clase
javax.microedition.io. PushRegistryy permite que la
aplicación Scl.jar se active únicamente cuando arriben mensajes provenientes de la TCL, puesto que ésta envía los mensajes a un puerto específico en el que se encuentra escuchando la aplicación. Estos mensajes no podrán ser leídos como mensajes SMS regulares,
proveyendo a su vez de mayor seguridad a la información de control y localización.
Fig. 12. Formulario de autenticación de la aplicación Scl.jar instalada en un teléfono celular Nokia N95 8G.
Fig. 13. Menú Principal de la aplicación Scl.jar.
Fig. 14. Formulario con las opciones de configuración del sistema SCL.
Fig. 15. Formulario de posición de la aplicación Scl.jar.
IX. IMPLEMENTACIÓN DEL SCL
En la Figura 17 se puede observar la TCL implementada y en la Figura 18 se puede observar el dispositivo de control y localización que contiene en su interior a la TCL, así como el menú principal de la aplicación J2ME corriendo en un teléfono celular Nokia N95.
Fig. 16. Pantalla del mapa de la ESPE con el resultado de una solicitud de localización.
Fig. 18. Sistema de Control y Localización.
X. CONCLUSIONES
El formato de envío de mensajes SMS mediante tramas PDU, permite enviar información de control, adicional al texto del mensaje propiamente dicho, tal es el caso del direccionamiento del mensaje SMS hacia un puerto de aplicación específico, de manera que pueda activar una aplicación residente en el teléfono celular del usuario. Esta característica ha permitido dotar de amigabilidad al MIDlet Scl.jar en la interacción con el sistema.
La implementación del prototipo con salidas de potencia incorporadas, es una gran ventaja respecto a sistemas de control similares que sólo disponen de salidas digitales y dejan a cargo del usuario adecuar estas salidas a una etapa de potencia median te el uso de relés o dispositivos que cumplan con el mismo propósito.
La API PushRegistryse tiene disponible a partir del perfil MIDP 2.0 y permite activar MIDletssin la intervención del usuario, ya sea a través de una conexión entrante o mediante la configuración de alarmas. Esto brinda la posibilidad de desarrollar una gran cantidad de aplicaciones que hagan uso de esta API, como es el caso de este proyecto.
La API PushRegistry, provee a la aplicación Scl.jar de total interactividad con la TCL, permitiendo al usuario recibir notificaciones y confirmaciones sobre los cambios en el estado del sistema de manera amigable, sin emplear códigos que tenga que memorizar.
La API WMA permite implementar el envío y recepción de mensajes SMS desde y hacia la aplicación J2ME, siendoeste medio de comunicación, tan extendido y aceptado por lossuscriptores de telefonía celular, la base del presente proyecto.
Es importante considerar que las operaciones de control y localización de este prototipo no se realizan en tiempo real, debidoa que dependen de los retardos en la transmisión de los mensajesSMS dentro de la red GSM y la congestión en la misma.
REFERENCIAS
[1] World Cellular Information Service, Subscriptions by Technology, http://www.wcisdata.com/newt/l/wcis/research /subscriptions by technology.html, Agosto 2008.
[2] SPK Electronics Co., Ltd., SPK-GPS-GS405 Smart antenna, www.spkecl.com/manufacturer/18278/18278.html.
[3] Microchip Technology Inc., PIC16F877A, www.microchip.com /www.products/Devices.aspx?dDocName=en010242, Octubre 2003.
[4] Sony Ericsson, Developers Guide AT Commands Online Reference,developer.sonyericsson.com/util/SearchCMS.do?criter ia=commands, Octubre 2004.
[5] Eveliux, Comandos AT, eveliux.com/mx/index2.php ?option=comcontent& do pdf=1&id=150, Julio 2007.
[6] Le Bodic, Gwena¨el, Mobile Messaging Technologies and Services-SMS, EMS and MMS, SegundaEdición, John Wiley & Sons, Ltd, Inglaterra 2005.
[7] DreamFabric, SMS and the PDU format, www.dreamfabric.com /sms/, Enero 2005.
Resumen— En este artículo se realiza el análisis de una Red Ad-Hoc MANET Móvil bajo el estándar IEEE 802.15.4 utilizando Network Simulator 2.32 (NS) en función del Throughput y el Tiempo Medio parametrizados por el número de nodos para una frecuencia de 2,4 GHz y una tasa de transmisión de 250 kbps. En el canal es usado el modelo de propagación de dos rayos.
Palabras clave— IEEE 802.15.4, Ad-Hoc, Throughput, Delay.
I. INTRODUCCIÓN
NA de las fases importantes en el desarrollo de proyectos de ingeniería es la simulación, ya que es una herramienta útil que permiten realizar pruebas antes de una implementación, facilitando su comprensión y detectando fallas de diseño.
El software utilizado para llevar a cabo las diferentes simulaciones realizadas en el presente trabajo es el NS 2.32, el mismo que ha sido diseñado para la investigación de redes tanto alámbricas, como inalámbricas, especializándose en el estudio de protocolos de transporte, aplicación, sesión, algoritmos de encaminamiento y control de congestión [1].
Durante los últimos años, se han realizado grandes esfuerzos en investigación en el campo de la redes móviles ad-hoc (MANET) [2], las mismas que son redes inalámbricas sin infraestructura, sin puntos de acceso, donde cada nodo hace el papel a la vez de nodo final y de ruteador, llamadas redes inalámbricas multi-salto (multi-hop).
El estándar 802.15 se especializa en el estudio de las redes inalámbricas área personal (WPAN) [3]. Dentro de este estándar existen cinco subdivisiones. En este trabajo analizamos el estándar 802.15.4 debido a las bondades que brinda para redes inalámbricas en ambientes caseros y en la industria preservando la vida útil de las baterías de los diferentes dispositivos por más tiempo, presentando un bajo consumo de energía, bajo poder y bajos costos. Al referirse a las aplicaciones de automatización residencial actualmente se cuenta con varios equipos a control remoto, desde televisores, teatros casa, DVD's, computadoras, impresoras, etc. El estándar ZigBee está
1Johanna Gavidia, Román Lara y Gonzalo Olmedo, Carrera de
Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones, Departamento de Electrónica y Electrónica, Escuela Politécnica del Ejército, ESPE, Sangolquí, Ecuador, E-mails: [email protected], [email protected], [email protected]
diseñado para satisfacer las especificaciones de estas aplicaciones sobre el estándar 802.15.4. Su función principal es proporcionar comunicaciones inalámbricas con bajas tasas de transmisión, bajo costo y bajo consumo de energía [4].
En este artículo se analizó el comportamiento de una red MANET mediante la implementación de nodos móviles empleando el estándar IEEE 802.15.4, en función del Throughput y del Tiempo Medio.
Este artículo está organizado de la siguiente manera. En la sección II está descrito el estándar IEEE 802.15.4. En la sección III describe los escenarios de simulación. Finalmente el análisis de resultados y las conclusiones son presentados en la sección IV y V, respectivamente.
II. ESTÁNDAR IEEE 802.15.4
El estándar IEEE 802.15.4 fue creado en Diciembre del 2004, este se encarga de definir un protocolo de interconexión para dispositivos de comunicación de datos con baja tasa de datos, baja potencia y baja complejidad. El IEEE 802.15.4 se caracteriza principalmente por que define el nivel físico (PHY) y el control de acceso al medio (MAC) y de redes inalámbricas de área personal con tasas bajas de transmisión de datos (LR-WPAN) [5].
Este estándar tiene la capacidad de operar en redes de gran densidad, esta característica ayuda a aumentar la confiabilidad de la comunicación, ya que entre más nodos existan dentro de una red, mayor es el número de rutas alternas que existirán para garantizar que un paquete llegue a su destino [6].
En la Fig. 1 se observa la arquitectura del estándar IEEE 802.15.4. La capa de más bajo nivel es la capa física (PHY), que en conjunto con la capa de acceso al medio (MAC), brindan los servicios de transmisión de datos por el aire, punto a punto. La capa de red (NWK) permite el correcto uso del subnivel MAC y ofrecer una interfaz adecuada para su uso por parte de la capa de aplicación. La siguiente capa es la de soporte a la aplicación que es el responsable de que el nodo se mantenga filtrando paquetes a nivel de aplicación. En el nivel conceptual más alto se encuentra la capa de aplicación que no es otra cosa que la aplicación misma y de la que se encargan los fabricantes [6]. El IEEE 802.15.4 trata las especificaciones de las dos capas inferiores, mientras que la AlianzaZigBee se encarga de la especificación de las capas superiores (Capa de Red y la Capa de Aplicación) de la pila del protocolo.
Análisis del desempeño de una red Ad-Hoc
inalámbrica móvil MANET, empleando el
software NS 2.32 bajo el estándar IEEE 802.15
Johanna Gavidia, Román Lara y Gonzalo Olmedo
1U
MASKAY 1(1), Nov 2011
A. Capa Física
Esta capa se basa principalmente en métodos de secuencia directa de espectro extendido (DSSS), las dos capas PHY comparten la misma estructura básica de paquetes y la principal diferencia entre ellas es la banda de frecuencias, la PHY de 2,4 GHz se la maneja en todo el mundo, permite un rango de transmisión de 250 kbps soporta 16 canales y opera en la banda medica, industrial y científica (ISM), ofrece costos de manufactura mas bajos, utiliza O-QPSK, tasa de símbolo de 62,5 (ksímbolos/s).
La PHY de 868/915 MHz, la de 868 MHz disponible para Europa, con una tasa de transmisión de 20 kbps soporta un solo canal y la de 915 MHz para EEUU soporta 10 canales, tiene una tasa de transmisión de 40 kbps, ofrece una solución a la congestión y las interferencias utiliza BPSK y CSMA-CA para múltiple acceso [7].
Capas Superiores de la 3 a la 7 del Modelo OSI
IEEE 802.15.4 LLC Otras LLC IEEE 802.15.4 MAC IEEE 802.15.4 868/915 MHz PHY IEEE 802.15.4 2400 MHz PHY
Fig. 1. Arquitectura del IEEE 802.15.4.
El estándar IEEE 802.15.4 fue creado en diciembre del 2004, este se encarga de definir un protocolo de interconexión para dispositivos de comunicación de datos con baja tasa de datos, baja potencia y baja complejidad. El IEEE 802.15.4 se caracteriza principalmente por que define el nivel físico (PHY) y el control de acceso al medio (MAC) y de redes inalámbricas de área personal con tasas bajas de transmisión de datos (LR-WPAN) [5].
B. Capa MAC
La capa MAC controla el acceso al canal de comunicación, el flujo a través de reconocimientos y retransmisiones. Se caracteriza por la asociación y la disociación, reconocimientos de entrega de trama, mecanismos de acceso al canal, validación de trama, garantía del manejo de las ranuras de tiempo, y manejo de guías.
El estándar ZigBee define dos tipos de dispositivos,
FPD (Full FunctionDevice), y RFD
(ReducedFunctionDevice). Una WPAN se forma cuando al menos dos dispositivos se comunican con un
dispositivo que actúa como FPD asumiendo el papel de un coordinador. Hay tres tipos de mecanismos de transferencia de datos entre los dispositivos de ZigBee: a partir de un coordinador a un dispositivo, de un dispositivo a un coordinador y entre los dispositivos, este tipo de comunicación es la que se utiliza en las simulaciones realizadas en el presente trabajo de investigación [8].
III. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN
En la Tab.I se observa las características principales de cada escenario así como el número de nodos móviles de las ocho simulaciones realizadas, los datos que se describen en el número de enlaces son correspondientes a cada uno de los datos que se tiene en número de nodos móviles es decir, la simulación de 6 nodos posee 2 enlaces en los que se realiza transmisión y recepción de paquetes. Cabe recalcar que el tiempo de simulación es el mismo para todos los escenarios.
TABLA I
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS ESCENARIOS Número de nodos
móviles [6 12 26 40 54 70 84 100] Protocolo de
Enrutamiento AODV
Modelo de Propagación TwoRayGround Tasa de Transmisión 250 kbps Frecuencia de
Transmisión 2,4 GHz
Número de Enlaces [2 5 13 14 27 30 41 45 ] Distancia media antes
del movimiento 10 m Tipo de Tráfico FTP Tiempo de Simulación 300 segundos
IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS
A. Throughputde la red vs. Número de Nodos
El throughput de la red,
η
, es la relación entre el número de bytes enviados y el tiempo total de simulación, y es obtenido usando la siguiente expresión:
=
s
bits
Ne
τ
η
8
, (1)donde
η
es elNe
el número de bytes enviados yτ
eltiempo total de simulación.B. Throughputreal de la red vs. Número de Nodos
El throughput Real,
η
', se obtiene mediante la siguiente expresión:,
)
1
(
'τ
η
=
Ne
−
r
(2) donder
es la relación entre el número de paquetesEn la Fig.2 se observa la gráfica resultante de la relación entre el throughput real y el número de nodos, donde se observa quethroughput real se incrementa con el número de nodos ya que cada nodo que ingresa incrementa datos a ser transmitidos en la red.
C. Throughput normalizado vs. Número de Nodos
El throughputnormalizado de la red es la relación entre el throughput real y el throughput de la red, y es dado por la siguiente expresión:
r
−
= 1
'η
η
(3)La Fig. 3 muestra elthroughput normalizado en función del número de nodos y el resultado muestra que la tasa real de transmisión considerando los paquetes perdidos, tiende a mantenerse alrededor del 89% de la tasa de transmisión.
Fig. 2. Throughput Real vs. Número de nodos
Fig. 3. Throughput Normalizado vs. Número de Nodos
D. Throughputreal vs. Número de Nodos que Transmiten
Para obtener este parámetro se divide el throughput real de cada simulación para el número de nodos que se encuentran transmitiendo.
La Fig. 4 muestra que el throughput real presenta el mejor desempeño en la región que corresponde a 40 nodos,debido a que el sistema se estabiliza en esta región por el modelo de acceso utilizado CSMA (CarrierSenseMultiple Access).También se puede observar que a partir de 60 nodos la interferencia producida entre los nodos al trabajar con DSSS hace que disminuya fuertemente el throughput.
Fig. 3. Throughput real vs. Número de nodos que transmiten
Fig. 4. Tiempo Medio vs. Número de Nodos
E. Tiempo Medio vs. Número de Nodos
Para cada escenario se calculó el valor medio de los retrasos de transmisión, considerando varios enlaces al mismo tiempo.La Fig. 5 muestra la relación entre el tiempo medio de transmisión y el número de nodos. Se puede observar que el sistema se comporta eficientemente hasta un máximo de 80 nodos, a partir de este punto la curva tiende a una subida extrema.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.5 1 1.5 2 2.5x 10 6 NUMERO DE NODOS T H R O U G P U T R E A L 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 NÚMERO DE NODOS TH RO U G HP U T N O R M A LI Z A D O 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 3 4 5 6 7 8 9x 10 4
NÚMERO DE NODOS TRANSMISORES
T H R O U G H P U T R E A L 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 NÚMERO DE NODOS ME D IA D E L T IE M P O
V. CONCLUSIONES
El estándar 802.15.4 representa actualmente la mejor solución para dispositivos que necesitan de bajo consumo de energía, como sensores y controladores. En el presente artículo fue analizado el estándar 802.15.4 en una red móvil, considerando una frecuencia de transmisión de 2,4 GHz y una tasa de transmisión de 250 kbps. Los resultados del throughput por número de nodos de transmisión mostraron que el sistema se desempeña eficientemente en un 90% con una media de 40 nodos transmitiendo a la vez, debido al sistema de acceso utilizado por el estándar. Adicionalmente, el tiempo medio de transmisión mostró que el sistema en movilidad se comporta eficientemente con un máximo de 80 nodos.
REFERENCIAS [1] The Network Simulator, ns-2, feb. 2009.
[2] Mobile Ad-hoc Networks working group, http://www.ietf.org/, feb. 2009
[3] Introducción a las WPAN’s, http://catarina.udlap.mx/, marzo 2009.
[4] Dr. José A. Gutierrez, “IEEE Std. 802.15.4 EnablingPervasiveWireless Sensor Networks”, 25 de Febrero del 2009.
[5] Estándar IEEE 802.15.4, www.catarina.udlap.mx/, feb.2009. [6] Valverde Rebaza Jorge Carlos, “El Estándar Inalámbrico
ZigBee”, Trujillo, Perú, 2007.
[7] T.H. Woon and T.C. Wilson Wan, “Performance Evaluation of IEEE 802.15.4 Ad Hoc Wireless Sensor Networks: Simulation Approach, Taipei”, TaiwanOctubre 8 del 2006,
[8] KhaledShuaib, Maryam Alnuaimi, Mohamed Boulmalf, ImadJawhar, FaragSallabi and AbderrahmaneLakas, “Performance Evaluation of IEEE 802.15.4: Experimental and Simulation Results”, UAEUniversity.
Resumen— En este artículo se realiza el diseño de una red con tecnología WiMAX bajo el estándar IEEE802.16-2004, a partir de un estudio topográfico del campus de la Escuela Politécnica del Ejército y la simulación de la red. Se determina el área de cobertura y el tráfico generado en distintos escenarios de propagación de la señal .
Palabras clave— WiMAX, IEEE 802.16-2004, SUI, FreeSpace, Shadowing, SIRENET, NETWORK SIMULATOR.
I. INTRODUCCIÓN
EBIDO al desarrollo que han alcanzado las nuevas tecnologías, han traído consigo la evolución de las comunicaciones inalámbricas, las mismas que han demostrado ser una solución eficaz en aquellos lugares en donde el cable es inaccesible o muy costoso.
En los últimos años se han planteado diferentes expectativas en torno al acceso de banda ancha de última milla. El cableado representa altos costos de instalación especialmente en áreas rurales o geográficamente inaccesibles. Dichas limitaciones tecnológicas y topográficas, unidas a la rápida adopción del acceso a Internet por parte del usuario, promovieron el desarrollo del estándar inalámbrico WiMAX (WorldwideInteroperabilityforMicrowave Access) para llegar a un mayor número de usuarios y que proporcione la introducción de nuevos y mejores servicios de telecomunicaciones [1].
En el proyecto se emplearon Sirenet[2] y Network Simulator-2 [3]. En la sección II, se describe la Tecnología WiMAX; la sección III, los Modelos de Propagación; la sección IV, se presenta un Estudio Topográfico del Campus de la ESPE; la sección V, Diseño de la Red WiMAX; la sección VI, Simulación y Análisis de Cobertura; finalizando con conclusiones del artículo en la sección VII.
II. TECNOLOGÍAWIMAX
WiMAX permite el acceso de banda ancha sin cables en última milla, como alternativa al cable y a otras tecnologías inalámbricas como el Wi-Fi. Esta tecnología permite la conectividad entre puntos fijos, móviles y
Tatiana Apolo, Edwin Amaguaña, Román Lara y Gonzalo Olmedo, Carrera de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones, Departamento de Electrónica y Electrónica, Escuela Politécnica del Ejército, ESPE, Sangolquí, Ecuador, E-mails: [email protected], [email protected].
portátiles, y la conectividad móvil de banda ancha sin necesidad de tener línea de vista con la estación base.
La tecnología inalámbrica 802.16-2004 ofrece velocidades de banda ancha para un área metropolitana, utiliza las bandas de 3,5 GHz y 10,5 GHz, válidas internacionalmente, que requieren licencia, y las de 2,4 GHz y 5,450-5,825 GHz que son bandas libres.
El tipo de modulación empleado para el protocolo IEEE 802.16 constituye la multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM). La modulación OFDM posee muchas ventajas frente a otras modulaciones. La forma de onda WiMAX OFDM permite la operación en entornos con un gran retardo de dispersión que caracteriza a los ambientes NLOS. Debido a los símbolos de tiempo OFDM y al uso de los prefijos cíclicos, la onda OFDM elimina problemas de interferencia intersímbolica (ISI), superar la dispersión de retardo y el efecto multi-camino de forma eficaz, lo cual permite tener mayores tasas de transferencias.
Una de las ventajas que proporciona WiMAX constituye su alta tasa de transferencia ya que teóricamente es de 70 Mbps y real 40 Mbps, a distancias de hasta 50 kilómetros de una estación base en ambientes sin obstrucciones, con línea de vista o planos.
III. MODELOS DE PROPAGACIÓN
A fin de determinar el comportamiento de la red, para la simulación fueron definidos tres modelos de propagación, presentados a continuación:
A. Modelo SUI
El modelo SUI (Stanford UniversityInterimModels), es una extensión del modelo de canal desarrollado por AT&T[4], es recomendado por el estándar IEEE 802.16 para la estimación de cobertura en sistemas WiMAX.
Para calcular las pérdidas que se producen en el nivel de la señal debido a la propagación en un ambiente determinado se tiene la siguiente expresión:
s d d A PL + + = 0 log 10γ , (1)
donde PLrepresenta las pérdidas en dB del nivel de la
señal, A es una cantidad fija que representa la interferencia producida por la pérdida en FreeSpace y está dada por:
= λ d π 4 log 20 A o , (2)
Tatiana Apolo, Edwin Amaguaña, Román Lara y Gonzalo Olmedo
Diseño y simulación de una red WiMAX para el
campus de la Escuela Politécnica del Ejército
D
MASKAY 1(1), Nov 2011
donde
f c
λ= es longitud de onda, c representa la
velocidad de la luz, la frecuencia f está dada en Hz, y do es una distancia de referencia escogida entre 100 y 1000 m.
En (1)
γ
es el coeficiente de pérdida de trayectoria que es la variable aleatoria Gaussiana que representa la cantidad de macro-celdas dentro de una categoría de terreno, dada por: + − = γ b b h c bh a , (3)
dondehb representa la altura de la antena de estación base, cuyo rango se encuentra entre 10 m<hb<80 m. a,b
y c que son constantes que dependen del tipo de terreno
y se presentan en la tabla I.
TABLA I
PARÁMETROS DEL MODELO DE PROPAGACIÓN SUI
PARÁMETRO
DEL MODELO A CATEGORÍA DE TERRENO
(Colinas pequeñas /Moderada a alta densidad de árboles) B (Ligera densidad de árboles o llano/ Moderada densidad de árboles) C (Plano/ Ligera densidad de árboles) a (adimensional) 4,6 4,0 3,6 b (en m-1) 0,0075 0,0065 0,0050 c (en m) 12,6 17,1 20,0
B. Modelo de Propagación en espacio libre (FreeSpace)
El modelo Free Space básicamente representa el rango de comunicación como un círculo de radio d, alrededor del transmisor. Si un receptor se encuentra dentro del círculo, éste recibe todos los paquetes, de otra forma éste pierde todos los paquetes [3].
En condiciones de propagación el espacio libre la relación entre la potencia recibida y la transmitida (pérdida de transmisión) por dos antenas separadas una distancia des:
, (4)
dondePt es la potencia de la señal de transmisión Gt y Gr son las ganancias de las antenas receptoras y respectivamente. L es la pérdida randómica del sistema donde (L ≥1).
El modelo de propagación en espacio libre representa un modelo ideal relacionado con las condiciones de propagación en el vacío, por lo que en un entorno terrestre no es muy aplicado, debido a que la curvatura de la tierra, la atmósfera y la ionosfera alteran las condiciones de propagación para enlaces reales; sin embargo resulta muy adecuado para conocer las características mínimas requeridas por los equipos para realizar los enlaces.
C. Modelo de Propagación Shadowing
Los resultados que se obtienen con el modelo
Shadowing, se acerca más a la realidad ya que simula
tanto los desvanecimientos provocados por obstáculos así como la propagación multi-camino que se tienen en recepción, logrando de esta manera resultados más fiables y precisos.
En este modelo la potencia a una determinada distancia es un variable randómica, debido al efecto de propagación multi-trayecto, el cual es también conocido como efecto de desvanecimiento.
El modeloShadowingestá formado por dos partes. La primera se la conoce como pérdida de propagación y predice el valor principal de potencia en recepción a una distancia d, que en este caso se denota con . Esta emplea una distancia d0 como referencia. En (5) se muestra la relación entre y .
d d ) d ( P ) d ( P o r o r β = , (5)
dondeβes el exponente de pérdida de propagación, y es determinada de forma empírica de acuerdo a mediciones de campo, cuyos valores referenciales se pueden observar en la tabla II, de acuerdo al tipo de entorno en donde se realicen las pruebas.
TABLA II
VALORES TÍPICOS DEL EXPONENTE Β PATHLOSS Ambiente
Espacio Libre 2
Área urbana con
sombra 2,7 a 5
Línea de vista 1,6 a 1,8
Obstrucción 4 a 6
La segunda parte del modelo Shadowing refleja la variación de la potencia de recepción a una determinada distancia como se observa en (6). Esta es una variable randómica log-normal, esto es una distribución Gaussiana si es medida en dB. El modelo de propagación de Shadowing es representado por:
X d d log 10 ) d ( P ) d ( P dB o dB o r r + β − = , (6)
dondeXdB es una variable con media igual a cero y desviación estándar , la misma que es obtenida a través de mediciones de acuerdo al medio de propagación en el que se proyecte la señal transmitida.
En la tabla III, se muestran los valores típicos que puede asumir la desviación estándar o shadowing.
TABLA III
VALORES TÍPICOS DE DESVANECIMIENTO
) d ( Pr ) d ( Pr Pr(d)
β
dB σ dB σ L d ) 4 ( G G P (d) P 2 2 2 r t t r π λ =Ambiente
Ambientes exteriores 4 a 12
Oficina con alta ocupación 7 Oficina con baja ocupación 9,6 Industrial con línea de vista 3 a 6 Industrial con obstáculos 6,8 IV. ESTUDIO TOPOGRÁFICO DEL CAMPUS DE LA ESPE
A. Reconocimiento del entorno del campus de la ESPE
Para el desarrollo del proyecto resultó fundamental el estudio del entorno del campus de la Escuela Politécnica del Ejército en el cual se determinaron los parámetros topográficos y la infraestructura de la misma, que permitieron obtener resultados coherentes en las simulaciones.
B. Delimitación de la zona de cobertura
Con la ayuda del GPS Meridian 211836B, el cual cuenta con una precisión de ± 3 metros, se determinaron las coordenadas geográficas de los puntos extremos del campus politécnico. La tabla IV muestra las coordenadas de los límites establecidos y en la figura 1 se presenta la panorámica del campus que obtenida con la herramienta computacional Google Earth, donde la zona de cobertura tiene un área aproximada de 3,8 hectáreas y un radio aproximado de 400m.
TABLA IV
COORDENADAS DE LOS LÍMITES DE LA ESPE
COORDENADAS Latitud Longitud
Entrada de la ESPE 0º18’53’’S 78º26’33’’O
Capilla 0º18’43’’S 78º26’41’’O
Transportes 0º19’10’’S 78º26’44’’O
Mecánica 0º18’49’’S 78º26’51’’O
C. Determinación de parámetros topográficos de lugares estratégicos
Para el diseño de la red fue necesario determinar puntos estratégicos en los cuales se colocarán los equipos, para lo cual se establecieron quince de ellos con el fin de brindar la cobertura a todo el campus politécnico.
Dichos puntos corresponden a los edificios y construcciones de cada uno de los departamentos académicos, así como a los sectores administrativos, de logística y de recreación a los que se desea brindar todos los servicios aplicables a la red diseñada. En la figura 2 se observar la ubicación de cada dependencia perteneciente al campus politécnico y en la tabla V se presentan sus coordenadas geográficas y alturas respectivas.
Fig. 1. Límites establecidos para el estudio del campus Politécnico
Fig. 2. Ubicación de las dependencias de la ESPE TABLA V
ALTURAS Y COORDENADAS DE LAS DEPENDENCIAS DE LA ESPE
COORDENADAS Latitud Longitud 1 Edificio Administrativo 22 0º18’52’’S 78º26’38’’O 2 Bar 6 0º18’54’’S 78º26’44’’O 3 Biblioteca 8 0º18’51’’S 78º26’38’’O 4 Bloque D 10 0º18’46’’S 78º26’43’’O 5 Departamento de Eléctrica y Electrónica 5 0º18’45’’S 78º26’45’’O 6 Ed. Central 10 0º18’51’’S 78º26’43’’O 7 Elect.-Biotec. 5 0º18’45’’S 78º26’45’’O 8 Geográfica 7 0º18’54’’S 78º26’46’’O 9 Idiomas 6 0º18’47’’S 78º26’40’’O 10 Mecánica 7 0º18’49’’S 78º26’49’’O 11 Residencia 10 0º18’59’’S 78º26’35’’O 12 Coliseo 5 0º19’03’’S 78º26’38’’O 13 Casino 8 0º19’03’’S 78º26’35’’O 14 MED 10 0º18’48’’S 78º26’43’’O 15 Transportes 3,5 0º19’09’’S 78º26’42’’O
)
(dB
dBσ
V. DISEÑO DE LA RED WIMAX
A. Identificación de zonas con mayor demanda del servicio
Para determinar la capacidad de los equipos a instalar fue necesario realizar un estudio de la demanda del servicio a ser proporcionado por el sistema WiMAX de acuerdo con la zona de cobertura.
A través del dimensionamiento del tráfico del sistema se pudo tener una idea más clara del ancho de banda a emplearse y de algunos parámetros relacionados con los equipos.
Para la determinación del tráfico de la red fue necesario el establecer un número de usuarios potenciales por edificio, tomando en cuenta los datos actuales de personas que tienen acceso a un computador en las diferentes dependencias dentro de los edificios y realizando una proyección adecuada de las personas que emplearán este sistema inalámbrico.
Para obtener una estimación del ancho de banda que proporcionará el sistema WiMAX se realizó un estudio independiente del tráfico que se va a generar en cada edificio, considerando que el ancho de banda entregado por el sistema no se divide para el número de estaciones subscriptoras.
En la figura 3 se puede tener una visión más clara de la estimación del número de personas (por edificación) que utilizan computadores personales en el campus politécnico.
La tabla. VI. muestra la relación existente entre la simbología de la gráfica y la densidad de usuarios que en la actualidad se encuentran utilizando servicios que abarcará la red WiMAX, de acuerdo a cada edificación.Los edificios con mayor número de personas que en la actualidad emplean PC’s son: edificio Administrativo, Central, Biblioteca y MED, sobre los cuales se debe poner especial interés ya que son los puntos más importantes en cuanto al tráfico generado y para establecer un ancho de banda requerido para el correcto funcionamiento del sistema WiMAX.
Fig. 3. Esquema del Campus Politécnico de la ESPE
TABLA VI
IDENTIFICACIÓN DE PERSONAS POR EDIFICIO
No Edificio Personas / edificio 1 Edificio Administrativo 220 2 Bar 24 3 Biblioteca 240 4 Bloque D 60 5 Departamento de Eléctrica y Electrónica 80 6 Edificio Central 235 7 Electro-Biotecnología 24 8 Geográfica 24 9 Idiomas 45 No Edificio Personas / edificio 10 Mecánica 20 11 Residencia 180 12 Casino 24 13 Coliseo 45 14 MED 230 15 Transportes 10
Una vez determinadas las zonas con mayor requerimiento del sistema, se procedió al cálculo de los distintos tipos de tráfico de acuerdo al número de usuarios. [4].
Para el análisis del tráfico total en sentido descendente (downlink) o ascendente (uplink) de cada edificación, se consideraron diferentes tipos de tráfico como: Acceso a la Red Internet,Transmisión de datos,Voz sobre IP, Servidores Web y Videoconferencia y se obtiene con las siguientes expresiones:
erencia) (Videoconf Tráfico Web) s (Servidore s/sector ascendente Flujos IP) sobre (Vos Tráfico (datos) Tráfico (internet) potencial s/usuario ascendente flujos * 0,7 + + ∑ + ∑ + ∑ = uplink Total , (7) ferencia) (Videocon Tráfico Web) s (Servidore te/sector descenden Flujos IP) sobre (Vos Tráfico (datos) Tráfico (internet) potencial /usuario te descenden flujos * 0,7 + + ∑ + ∑ + ∑ = nlink Total dow ,(8)
donde 0,7 representa el 70% de los usuarios potenciales, es decir es el porcentaje de proyección de la demanda.
En la tabla. VII. se presenta un resumen de los resultados obtenidos del tráfico total empleando (7) y (8) tanto paradownlink comouplink de cada edificio.
De acuerdo con los resultados obtenidos en la tabla. VII. se encuentra que el mayor tráfico se encuentra en la Biblioteca (9,83Mbps), lo que permite determinar las velocidades de transmisión necesarias que deben brindar los equipos a adquirir para una futura implementación de la red WiMAX en el campus politécnico.
